Системный анализ и алгоритмы контроля надежности функционирования автоматизированной системы планирования грузовых перевозок

Опыт создания и применения сложных автоматизированных систем (АС) в последнее время выявил множество различных ситуаций, при которых сбои и отказы их функционирования были обусловлены ошибками программных комплексов и выражались в большом ущербе. Вследствие ошибок в программах автоматического управления происходили отказы и ущербы в различных административных, банковских, промышленных и технологических информационных системах.

В сложных АС независимо от технологии их разработки невозможно гарантировать абсолютное отсутствие ошибок. Практическая непредсказуемость вида, места и времени проявления ошибок в АС в процессе эксплуатации приводит к необходимости создания дополнительных встроенных функциональных систем автоматической оперативной защиты всего программно-аппаратного комплекса от непредумышленных, случайных искажений вычислительного процесса, программ и данных. Соответственно, все большую значимость приобретает задача обнаружения, выявления и предотвращения воздействия различного рода дестабилизирующих факторов на АС в целом, а также на ее компоненты.

При существующем в настоящее время уровне развития методов, технологии и средств автоматизации проектирования есть предельные масштабы и объемы комплексов программ, при которых невозможно обеспечить при допустимых затратах необходимую надежность их функционирования. Крайне высокие требования к такому типу программных комплексов не могут быть выполнены в полном объеме вследствие различного рода реальных ограничений ресурсов: бюджета, длительности цикла разработки, характеристик вычислительных систем, квалификации специалистов и т. д. Применение таких систем при несоблюдении требований достаточной их надежности иногда теряет смысл и является не только бесполезным, но и может быть даже опасным.

Диссертация посвящена системному анализу и разработке алгоритмов повышения надежности в автоматизированной системе планирования грузовых перевозок.

Актуальность темы

диссертации. Современное развитие промышленности характеризуется объединением различных компаний в крупные корпорации, имеющие развитые информационные сети между своими структурными подразделениями. В этих сетях используются распределенные АС, надежность которых является одним из основных компонентов, обеспечивающих эффективную работу любой крупной корпорации и составляющих ее подразделений. Информационная система промышленных корпораций и крупных компаний, как правило, состоит из множества подсистем, выполняющих различные производственные функции. К одной из таких подсистем относится и автоматизированная система планирования грузовых перевозок (АСПГП).

АСПГП предназначена для обработки поступающих от заказчиков заявок, составления планов работ и постоянного текущего контроля за их выполнением. Типовая АСПГП содержит от десятков (на промышленных предприятиях) до сотен (на железнодорожном или авиа транспорте) рабочих мест операторов, которые территориально могут быть удалены друг от друга на большие расстояния. Все рабочие места объединяются в единое информационное пространство, которое состоит из большого числа различных подсистем, обеспечивающих решение широкого комплекса текущих задач по обеспечению устойчивой и надежной работы по планированию и перевозке грузов. Каждая подсистема испытывает воздействие большого количества типов и интенсивности дестабилизирующих факторов, включая ошибки операторов при вводе данных, программные сбои, атаки вирусов, остановки на профилактику или сбои компьютерной техники и т. д.

Проблема оперативного обнаружения дестабилизирующих факторов, воздействующих на АСПГП, остается в числе актуальных не только с точки зрения предотвращения потерь материальных, временных, финансовых и других ресурсов, но и с позиций роста требований к качественному обслуживанию клиентов. Неотработанные (в смысле обнаружения, исправления, предотвращения последствий, ликвидации причин и т. д.) дестабилизирующие факторы влияют не только на количественные и качественные характеристики технологических процессов, но и на показатели работы пользователей АСПГП в целом.

При анализе надежности АС рассматриваются различные дестабилизирующие факторы, приводящие к потере работоспособности систем. Как правило, при таких воздействиях работоспособность АС нарушается не полностью, в то же время, становится уже невозможным выполнение этими системами своих функций в полном объеме. При этом надежная работа АС должна гарантировать отсутствие следующих дестабилизирующих факторов, приносящих большой ущерб:

• ошибок в программном обеспечении обработки информации;

• искажений входной информации от внешних систем;

• пробелов и недостатков в средствах обнаружения опасных отказов;

• искажений обрабатываемой информации;

• технических отказов баз данных и т. д.

В существующих исследованиях по анализу работоспособности АС обычно рассматривается их общая надежность, в то время как составляющие ее подсистемы, например АСПГП, имеют свое специфическое воздействие дестабилизирующих факторов и, соответственно, к ним должны применяться адекватные меры по устранению их воздействия.

В процессе проектирования, разработки и всего жизненного цикла компоненты АСПГП с течением времени развиваются и адаптируются, что отражается на необходимости адекватного изменения методов, задач и средств повышения их надежности. Таким образом, проблемы обеспечения надежности АСПГП должны решаться с учетом одновременного динамического развития всех компонентов систем и факторов, непрерывно изменяющихся и воздействующих на результаты их работы. При этом под надежностью АСПГП в диссертации понимается выполнение этой системой заданных функций в полном объеме в соответствии с предъявляемыми требованиями, сохраняя при этом во времени и в заданных пределах значения установленных эксплуатационных показателей.

Целью данной работы является проведение системного анализа, разработка алгоритмов контроля надежности функционирования и методики повышения надежности автоматизированной системы планирования грузовых перевозок распределенной промышленной корпорации.

В соответствии со сформулированной целью основные задачи диссертации следующие:

1. Исследование методами системного анализа существующих автоматизированных систем планирования грузовых перевозок, проведение анализа схем обработки информационных потоков и требований к надежности и эффективности их работы.

2. Анализ жизненного цикла прохождения заявок заказчиков и определение дестабилизирующих факторов, влияющих на надежность функционирования системы на каждом из этапов этого цикла.

3. Определение системы показателей оценки надежности функционирования и обработки информации в автоматизированной системе планирования грузовых перевозок.

4. Определение вероятностных характеристик процесса обработки заявок заказчиков, а также моделирование прохождения их информационных потоков.

5. Выделение системы приоритетных показателей надежности для количественной оценки влияния дестабилизирующих факторов, воздействующих на автоматизированную систему планирования грузовых перевозок.

6. Разработка алгоритмов контроля надежности функционирования автоматизированной системы планирования грузовых перевозок.

7. Разработка методики использования комплекса программно-аналитических средств повышения надежности управления и обработки информации заявок в автоматизированных системах планирования грузовых перевозок.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, методы теории экспертных оценок, методы теории массового обслуживания.

Предметом исследования являются средства обеспечения надежности функционирования АС, применяющихся в технологических процессах распределенных промышленных корпораций.

Научная новизна проведенных в работе исследований заключается в следующем:

1. Разработано новое системно-аналитическое описание автоматизированной системы планирования грузовых перевозок, основой которого является комплексный анализ жизненного цикла обработки заявок заказчиков, позволяющий определить влияние дестабилизирующих факторов на надежность функционирования системы. Это позволило выявить подсистемы, требующие повышения надежности их функционирования.

2. Разработана комплексная методика повышения надежности автоматизированной системы планирования грузовых перевозок в целом, которая в отличие от существующих позволила систематизировать последовательность действий по повышению надежности от проведения анализа системы до разработки и внедрения алгоритмов.

3. Разработаны новые алгоритмы повышения надежности обработки информационных потоков заявок в автоматизированной системе планирования грузовых перевозок, которые в отличие от существующих позволяют осуществлять непрерывный контроль, как за действиями пользователей системы, так и за работой встроенных автоматических программных блоков. Это позволило повысить эффективность работы систем за счет уменьшения количества невыполненных заявок. 4. Определена новая система приоритетных показателей оценки надежности, на основании которой были реализованы алгоритмы контроля надежности функционирования автоматизированной системы планирования грузовых перевозок.

Практическая ценность работы. Разработана комплексная система и программные модули по повышению надежности работы АСПГП. Разработанные программные модули совместимы с широким классом автоматизированных систем, что делает их доступными и позволяет использовать эти модули как при разработке новых, так и в качестве составных частей различных уже существующих автоматизированных систем обработки информации для увеличения надежности их работы. Разработанная комплексная система дополняет используемые АСПГП, и повышает эффективность их работы за счет применения методов, снижающих воздействие на нее различных дестабилизирующих факторов, а также позволяет отслеживать возможные ошибки в работе и предупреждать пользователей о месте их возникновения. Разработанные методики и программные подсистемы защищены свидетельствами на интеллектуальную собственность. Практические результаты работы отражены также в акте внедрения.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в промышленную эксплуатацию на 439 рабочих местах АСПГП, в том числе на 93 грузовых станциях, 7 региональных центрах, а также в центральном управлении Куйбышевской железной дороги.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Системно-аналитическое описание автоматизированной системы планирования грузовых перевозок, которое позволило определить подсистемы, требующие повышения надежности их функционирования.

2. Комплексная методика применения программно-аналитических средств повышения надежности автоматизированной системы планирования грузовых перевозок.

3. Алгоритмы повышения надежности обработки информационных потоков заявок в автоматизированной системе планирования грузовых перевозок, которые в отличие от существующих позволяют осуществлять непрерывный контроль, как за действиями пользователей системы, так и за встроенными автоматическими программными блоками.

4. Система приоритетных показателей, на основании которой были реализованы алгоритмы контроля надежности функционирования автоматизированной системы планирования грузовых перевозок. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и форумах:

• международная научно-практическая конференция «Инфотранс-96» (г. Санкт-Петербург, 1996 г.);

• 6-я международная конференция молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2005 г.);

• международная молодежная научная конференция «Туполевские чтения» (г. Казань, 2005 г.);

• 10-я международная научно-практическая конференция Инфотранс-2005 (г. Санкт-Петербург, 2005 г.);

• международная конференция «Корпоративные системы-2005» (г. Москва, 2005 г.);

• международная конференция «Техникон-2005» (г. Москва, 2005 г.);

• 12-я Российская научная конференция профессорско-преподавательского состава ПГАТИ (г. Самара, 2005 г.).

Личный вклад. Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ [59, 80, 83, 85, 89−93], (в том числе 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК) и получено 10 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ [4, 51−54, 74−76, 81, 107]. В работе [59] автору принадлежит описание принципов взаимодействия информационных систем в разнородных сетях. Вклад автора составляет 25%. В работе [80] автору принадлежит общее описание АСПГП и ее место и роль в технологическом процессе работы железной дороги. Вклад автора составляет 35%. В работах [83, 85] автору принадлежит описание встроенных алгоритмов повышения надежности и обеспечения функционирования АСПГП. Вклад автора составляет 30% в каждую работу. В свидетельствах [4, 51−54, 74−76, 107] автору принадлежат алгоритмы и программные модули контроля работоспособности АСПГП. Вклад автора составляет 15% в каждое из свидетельств.

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений, содержит 141 страницу основного текста, 30 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 127 наименований. Приложения содержат исходные тексты программных модулей обеспечения надежности, акт внедрения результатов диссертационной работы, копии свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Выводы по четвертой главе.

1. Введенная в эксплуатацию АСПГП позволила совместно с заказчиком уточнять заявку на перевозку грузов на планируемые сутки, предотвращая, таким образом, подачу вагонов тем заказчикам, которые и не собирались осуществлять погрузку и предоставляя вагоны тем, кому это действительно необходимо. До внедрения АСПГП уточнение заказа на планируемые сутки осуществлялось коммерческим диспетчером вручную, что приводило к многочисленным ошибкам. Например, до ввода АСПГП в опытную эксплуатацию в июле 2005 года количество отклоненных заявок составляло 2326, а с использованием АСПГП к декабрю того же года цифра уменьшилась до 314.

2. В АСПГП реализованы оригинальные программные модули контроля функционирования, которые защищены авторскими свидетельствами. Часть программных модулей контроля функционирования АСПГП работают в фоновом режиме качестве сервисов, часть встроены в программное обеспечение различных подсистем АСПГП.

3. В АСПГП используются не только оригинальные, специально разработанные компоненты обеспечения надежности, но и штатные средства и алгоритмы. К штатным средствам относятся резервирование и дублирование данных, увеличение оперативной памяти под выполняемые процессы, дефрагментация и т. д. Алгоритмы повышения работоспособности АСПГП разрабатывались исходя из системы приоритетных показателей, на улучшение которых они в первую очередь и рассчитаны. Кроме этого, необходимо отметить, что в АСПГП нет гибких алгоритмов с нечетким путем исполнения, т. е. АСПГП является жестко предопределенной системой, что также положительно сказывается на ее надежности и работоспособности.

4. Разработана комплексная методика повышения надежности АСПГП, которая позволила систематизировать последовательность действий по повышению надежности АСПГП, начиная с системного анализа АСПГП и заканчивая разработкой алгоритмов и программных модулей повышения надежности. 5. Разработанные и внедренные программные модули позволили повысить эффективность работы существующей АСПГП за счет увеличения количества выполненных заявок заказчиков и снижения времени простоя системы из-за воздействия на нее различных дестабилизирующих факторов.

Заключение

.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачипроведению системного анализа и разработки алгоритмов и методики повышения надежности АСПГП распределенной промышленной корпорации. В работе проведен анализ дестабилизирующих факторов, воздействующих на АСПГП на всех этапах жизненного цикла прохождения заявки заказчиков, определена система приоритетных показателей оценки надежности, разработаны алгоритмы, методика и программные модули контроля функционирования АСПГП.

Диссертационная работа имеет научное и практическое значение. Эффективность результатов работы была практически доказана при использовании полученных в диссертации результатов при разработке и эксплуатации конкретной АСПГП. Разработанные алгоритмы, программы и методики могут быть использованы как при разработке новых автоматизированных систем, так и при совершенствовании и доводке существующих систем с целью увеличения надежности их работы.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Проведен системный анализ существующих методов и средств обеспечения надежности и эффективности автоматизированных систем планирования грузовых перевозок, на основании которого разработано системно-аналитическое описание. Это позволило определить направления и методы повышения надежности этих систем при воздействии на них различных дестабилизирующих факторов.

2. Проанализирован жизненный цикл прохождения заявок заказчиков, что позволило определить влияние различных дестабилизирующих факторов на каждом из этапов обработки информации заявок и разработать систему показателей оценки надежности системы.

3. На основе методов теории массового обслуживания получены вероятностные характеристики обработки информационного потока заявок заказчиков и определена точность их расчета. Проведено моделирование прохождения информационного потока заявок методом Монте-Карло. Результаты, полученные при моделировании, в целом совпадают с расчетными показателями.

4. На основе методов экспертных оценок выделена система приоритетных показателей надежности для количественной оценки влияния дестабилизирующих факторов на работу всей системы и ее подсистем.

5. На основе количественных значений системы приоритетных показателей разработаны алгоритмы контроля надежности функционирования автоматизированной системы планирования грузовых перевозок. Это позволило повысить эффективность выполнения заказов за счет уменьшения количества невыполненных заявок заказчиков.

6. Разработана методика использования комплекса программно-аналитических средств повышения надежности автоматизированной системы планирования грузовых перевозок. Это позволило систематизировать последовательность действий по повышению надежности всей системы, начиная с системного анализа и заканчивая разработкой алгоритмов по управлению, контролю и обработке потока заявок заказчиков.

7. Разработаны различные программные модули повышения надежности функционирования и эффективности обработки информационных потоков заявок заказчиков, которые встроены в автоматизированную систему планирования грузовых перевозок.

8. Разработанные и внедренные программные модули позволили повысить эффективность работы существующей автоматизированной системы планирования грузовых перевозок за счет уменьшения количества невыполненных заявок заказчиков и снижения времени простоя системы из-за воздействия на нее различных дестабилизирующих факторов.